BIM技术在基础设施项目管理中的应用研究

刘 孟，王金鹏，孙 宸，高贺丽

（中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004，E-mail：627999066@qq.com）

BIM技术在基础设施项目管理中的应用研究

刘 孟，王金鹏，孙 宸，高贺丽

（中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004，E-mail：627999066@qq.com）

借助BIM技术的优势，结合某桥梁工程的现场施工情况及工程技术难点，探索BIM在基础设施领域中的应用。对桥梁结构及临建设施等进行三维建模，复核设计图纸及坐标点高程，同时优化预制T梁钢筋放样，以期能够做到优化施工资源，缩短工期，降低成本，提高施工质量。

BIM；建模；基础设施；钢筋精细化管理；可视化技术

随着经济社会的快速发展，国家“一带一路”重大战略的实施及PPP模式的大力推广，目前基础设施建设可谓如火如荼。桥梁工程作为基础设施领域的重要部分，其工程数量及体量均在显著增加，且结构形式更加复杂，这就给桥梁工程设计与施工管理带来了极大的挑战。桥梁工程项目的建造不仅施工现场环境复杂，而且还涉及到多项复杂工程，如水下施工、箱梁挂篮施工等。如今，项目施工图纸依然靠传统的二维平面图来表达，对于一些形状复杂的桥梁，空间定位及工程量计算都存在很大的困难，施工方案的策划也要依靠管理人员的经验来制定和实施，很难提前发现设计中存在的空间冲突问题以及工序的可操作性，进而影响施工进度、质量和成本[1]。因此，保证大型桥梁工程的可建造性及施工方案的可行性对桥梁项目管理的高效实施是很有必要的[2]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各相关信息的工程数据模型。BIM技术是对工程项目实体与功能特性的数字化表达，一个完善的信息模型，能够连接建设项目生命周期不同阶段的数据、过程和资源，是对工程对象的完整描述，可被建设项目各参与方普遍使用。BIM技术的可视化、参数化、数据化、可模拟化、可优化的特性让建设项目的施工管理工作更加高效，给项目带来良好的经济效益[3]。基于项目全生命周期的BIM技术应用是以BIM服务器为基础，建模为输入，以协同为方向，实现项目各阶段、不同专业、不同软件产品之间的数据交换、集成与共享，为建设项目目标的实现做有力的支撑。

BIM理念自20世纪70年代提出以来，国内外研究学者对其产生了巨大的兴趣。在BIM技术发展的前期阶段，研究者主要集中在如何构建BIM技术框架以及搭设BIM技术应用平台进行了详细的研究。如Porwal[4]介绍了BIM技术在项目的计划阶段、模型设计阶段、早期协作阶段、施工阶段的工作要点。随着其在实际工程中应用程度的不断加深，一些学者对BIM技术给建筑行业带来的效益进行了深入的分析。Barlish等[5]结合实际工程应用的具体数据，将更改命令的数量、信息请求的数量、施工计划安排的合理性、设计费用和施工费用作为评价指标，确立了评价BIM净效益的技术框架。国内BIM技术的起步较晚，但发展速度较快，目前国家建设主管部门、设计院、建设单位及建筑施工企业都对BIM技术进行了大量的研究及应用，且取得了一定的成果。如刘献伟等[6]分析了BIM技术在施工阶段的主要价值，也指出了现阶段BIM技术在施工领域应用中存在的主要问题。除了上述理论研究之外，BIM技术也在一些大型具体项目中进行了实际应用，并取得了良好的效果。刘占省等[7]在长沙国际会展中心项目中利用BIM技术进行参数化构件库创建、模型拼装及节点深化、碰撞检查、施工过程仿真分析、施工可视化指导及施工过程变形监控等，实现了建设项目的精益建造，给其他大型公共建设项目施工应用提供了很好的参考价值。李彤彤等[8]结合目前项目安全管理现状，介绍了BIM在城市轨道交通施工过程中的应用优势，探讨了BIM技术在城市轨道交通建设项目施工中安全管理的应用。孙润润[9]以基于BIM技术的全生命期管理理念为依托，研究城市轨道交通项目进度管理，提出了基于BIM技术的施工进度管理流程框架。龙腾[10]以某结构复杂的变截面桥体为实例，通过对变截面桥体各类BIM模型进行分析、处理，研究了桥梁工程4D施工进度管理、施工过程及关键施工工序模拟等。本文拟通过对某一大型桥梁工程进行三维实体建模，研究BIM技术在基础设施领域的应用，以期实现项目施工高效化及过程管理的精细化，真正做到优化施工资源，缩短工期，降低成本，提高施工质量，以此促进BIM技术在基础设施领域的应用推广。

1 工程概况

某桥梁工程项目全长2.44km，分主桥和引桥两部分，设计为双向四车道一级公路，行车速度80km/h。主桥跨越主河槽，长度为1316.02m，采用现浇预应力混凝土变截面连续箱梁与现浇T构组合的结构形式，箱梁采用单箱单室截面，单幅桥宽12.5m，底宽6.5m，孔跨布置为：（55+3×100+70） m+（2×30）m+（70+2×100+70）m+（2×30）m+（70+3×100+55）m。下部结构除5#、9#墩为空心薄壁墩，其余均采用矩形板式桥墩，14#墩采用盖梁式桥墩，桩基均采用钻孔灌注桩。引桥采用预应力混凝土后张T梁，先简支后连续，下部结构为双柱式墩台，桩基同样采用钻孔灌注桩基础。

由于上游黄河冲击和洪积作用，桥位地质主要为砂卵石层，卵石中值粒径为50～70mm，含量在80%左右，地质情况比较复杂。主桥跨越黄河主河道，黄河水深4～10m，水流湍急，主桥施工均为水上施工，要经过两个汛期，且受小浪底调水调沙影响，水上作业安全风险大，施工工期非常紧张。大桥河槽内承台尺寸为17m×10.8m×4.2m，且其底面位于河水面11m以下，套箱围堰开挖深度大、水位高。变截面箱梁部采用挂篮施工，“T”构部分采用支架及满堂支架相结合的方式施工，大桥施工整体难度大，技术含量高。

考虑到以上几个工程特点及难点，项目管理人员采用BIM技术进行辅助管理，利用其可视化技术对施工进度进行模拟化及三维可视化展示，以此来达到施工资源合理分配，优化施工进度；利用等尺寸建模的特点对施工现场平面布置、桥梁结构、现场临建及钢筋进行实体建模，检查核对图纸，合理布置施工现场，辅助钢筋下料，给测量人员提供测量点数据，从而减小施工质量及安全问题，有利于项目实现高标准、高效率建造，给施工管理工作带来便利。

2 BIM技术应用

2.1 钢筋精细化管理

桥梁工程中钢筋放样工作一般比较复杂，与房屋建筑项目有很大差别。考虑到引桥上部结构采用后张法预应力预制T梁，钢筋与预应力管道的分布极其复杂，且钢筋沿里程方向的尺寸逐渐变化，钢筋翻样下料工作量较大，因此考虑利用BIM软件等尺寸建模的特点，对预制T梁的钢筋进行实际放样，以期做到现场钢筋精细化管理，减少余料，降低浪费，进而控制材料成本[11]。所建立的中跨中梁钢筋的原尺寸模型如图1所示。

利用Revit软件中的明细表功能导出模型中的钢筋用量表并进行统计，然后与图纸中所给的钢筋设计量、现场施工中钢筋工的实际翻样量进行对比，找出其中可优化的部分，从而做好钢筋精细化管理工作。表1给出了中跨中梁图纸设计量、传统钢筋翻样量及模型翻样钢筋量对比表。在中跨中梁选取截面钢筋进行传统翻样后，利用所建立的三维原尺模型进行钢筋辅助优化后发现，梁肋4号钢筋图纸设计长度为5287mm，进行钢筋翻样优化调整后长度为5120mm，图纸设计总量690.2kg，进行优化调整后钢筋总量为668.4kg，减少了21.8kg，节省率为3.16%；梁肋7号钢筋图纸设计长度为2366mm，优化调整后长度为2252mm，图纸设计总量308.9kg，优化调整后钢筋量为293.9kg，减少了15kg，节省率为4.86%；翼板4号钢筋图纸设计长度为3511mm，优化调整后长度为3352mm，图纸设计总量4838.9kg，优化调整后钢筋量为4619.8kg，减少了219.1kg，节省率为4.53%。

图1 中跨中梁钢筋原尺寸模型

表1 钢筋量对比表

由此可见，工程项目中的技术人员可利用BIM技术对复杂部位的钢筋进行精确放样，给钢筋加工人员提供放样图纸并进行技术交底，从而真正实现钢筋精细化管理，减少材料浪费，降低材料成本。

2.2 检查校核测量点数据

利用BIM技术对主桥进行实体三维建模，针对本项目实际情况对主桥各构件进行参数化建模，提高建模效率，且检查图纸存在的不足，预先了解图纸中存在的缺陷，提前与设计单位沟通解决，并对主桥复杂结构部位的控制点进行坐标高程点标示，方便测量人员开展工作，为后续工作带来极大便利，达到节约工期的目的。变截面梁号块参数化设置见图2，所建主桥箱梁族见图3。

通过桩基坐标及高程建立下部结构，同时结合测量部门对施工场地的数据进行建模，最后利用软件的链接功能，把上部结构、下部结构及施工场地

图2 变截面梁号块参数化设置

图3 主桥现浇混凝土变截面连续箱梁族

模型链接入同一模型文件中，再进行组装形成主桥三维模型，见图4。

图4 主桥三维模型

利用三维几何建筑模型复核设计图纸中各桥墩中心线高程时发现，设计图纸中除5#、9#墩之外其余墩位的中心线高程均与实际高程低40mm，小组成员将实际数据及时反映给测量人员，以便测量人员提前与设计院沟通解决，减少不必要的返工。另外，T构的空间定位依靠传统的二维图纸很难表达清楚，应结合三维模型利用软件注释选项卡下的高程点坐标功能，对结构物空间坐标点直接进行标示（见图5）、统计，供测量人员检查校核，大大提高了测量工作的效率，保证桥梁结构位置的精确，为后期主桥合拢做好铺垫。

图5 T构空间高程坐标点

BIM技术可针对项目复杂部位及异形结构进行精确定位并检查校核图纸坐标点高程，避免在后期施工中因测量放样问题而导致的大量返工，大大缩短施工工期，同时也为项目测量人员提供了准确的测量数据，以减少其内业计算工作量。

2.3 钢结构精细化管理

因主桥1-8#号墩跨越主河道，为满足1-8#墩桩基承台及下部结构施工的需要，同时解决机械设备及材料在桥梁两侧施工区域的调配问题，在其上游修建临时钢栈桥及施工平台，栈桥设计长度975.7m，跨越主河槽漫水断面，在1-8#墩承台处设置施工平台。本项目中栈桥、平台及钢围堰部分钢结构用量在整个工程成本中占有约14%的比重，结合栈桥设计图纸，对栈桥进行三维建模，进而核对施工图纸，统计钢结构部分的用量，实现钢结构的精细化管理，寻找控制成本的关键部位，达到降低成本的目的。

对锚桩、钢管桩及贝雷架等进行参数化建模，提高建模效率。所建立的栈桥及平台的三维模型如图6所示。

图6 栈桥及施工平台三维模型

利用Revit软件明细表功能，统计各钢构件数量及工程量，与施工临时栈桥、平台图纸所给工程量进行对比，图纸所给出的栈桥各桩基顶面标高与实际标高有部分冲突，利用已建立的三维模型直接标示出各桩基顶面标高，避免测量人员进行手算及现场返工，可大大提高施工效率，进而缩短工期。另外，通过Revit翻样的构件用量比图纸所给工程量多出160余吨，可为项目创造经济效益120余万元，由于及时与项目管理人员沟通，使材料部门合理把握材料用量，商务部门及时做好变更签证工作，从而加强成本管控，提高施工效率。

通过BIM技术对钢结构进行准确放样，可以找出实际施工过程中钢结构用量与图纸用量存在冲突的部位及差异量，进而校对栈桥及平台图纸中的错误，提高施工效率，缩短工期。另外也可使项目管理人员清楚地了解钢结构用量，加强钢结构材料的管理，更好地控制施工成本。

2.4 优化施工现场临建设施

根据施工组织设计，主桥部分钢筋由钢筋加工场集中下料加工、现场安装，施工栈桥、平台加工统一在钢结构加工厂进行加工制作，再运至现场进行安装，因此钢筋加工厂及钢结构加工厂所处位置应符合总体施工部署和施工流程的要求，减少相互干扰，并且平面布置科学合理，施工场地占用面积少。结合现场实际，联合测量小组，对所需施工临建进行三维建模，对现场进行实地考察，优化场地区域划分及平面布置，以期更高效率地进行生产，转运。所建立施工临建的平面布置图如图7所示。

图7 施工现场平面布置图

利用BIM技术的特性，对现场临建设施方案不断深化，在满足加工场地需求及车辆运输通行等条件，优化钢筋加工厂及钢结构加工厂的布局，减少占地面积，合理规划交通路线，保证各工序可以良好地平行作业，降低了征地费用，同时将此三维平面布置图展现在施工现场，以便更直观地展示现场平面布置，辅助文明施工工作。

2.5 BIM技术可视化应用

以往由于施工技术受限，建筑设计和模型构建的主要表达方式都是二维图纸，对于复杂的结构或者不规则的形体就需要结合多个剖面图才能表达清楚，这就导致刚工作的技术人员或者工人因为技术有限或粗心大意而出现错误，影响工期并且浪费材料。BIM技术可以根据施工工艺流程将一些复杂的施工工艺制作成视频动画，进而对施工班组进行可视化技术交底，给工人画面感，降低操作过程中的错误率，提高生产效率。

在施工进度方面，传统的施工进度安排是利用Project软件倒排工期，从而编制施工进度计划，其中的具体环节仅靠管理人员想象并体现在施工组织设计中，对关键工序的把控需要根据经验进行预判，而BIM技术可以通过软件在所建立的三维几何模型中加入时间维度，再链接入已编制的施工进度计划文件，就可以通过动画进行模拟施工，使管理人员对施工的全过程及关键工序有清晰地认识，并了解其中的缺陷和不足，进而完善修改，最终给出比较合理的施工进度计划[12]。

本研究拟通过已建立的三维桥梁模型，对施工进度进行模拟。将BIM模型导入Navisworks中，借助Navisworks的TimeLiner功能，通过选择树添加视点，制作工作集，链接入已编制的Project桥梁施工进度计划，便可制作该桥梁整个施工进度动画。

通过施工进度可视化模拟，技术人员对施工进度有了更直观的认识，可以掌握影响施工工序、进度的关键因素，进而优化施工资源配置，加强对进度的过程管控，更好地实现进度管理。

3 分析与建议

本项目利用BIM技术进行了钢筋、钢结构的精细化管理，测量点数据校核，施工现场临建设施的优化及可视化应用，切实实现了节省材料、缩短施工工期、降低成本，给项目施工管理工作带来了极大便利。在后续施工过程中，会继续结合现场实际施工情况进行探索应用，将辅助T构满堂支架的施工方案优化及专家论证，针对主桥箱梁的不规则性将进行混凝土用量统计、钢筋精细化管理、预应力管道与钢筋的碰撞检查及箱梁内外模板工程量统计，另外还预计进行主桥挂篮施工交底等工作，力求更好地服务项目施工管理工作。

4 结语

BIM技术作为建筑业的一项新技术，可以给工程项目的设计、施工管理及后期运营等阶段带来极大的便利，是建筑业真正实现高效精益建造的关键技术。BIM技术在本项目的应用，提高了项目管理的整体水平，实现了高效精细化施工管理，为项目进度、质量及安全管理等方面提供了技术支持和保障，对其在基础设施领域的应用价值落地起到了很大的推动作用。

BIM技术已经在房屋建筑领域大力推广，但国内的BIM技术应用依然还不够成熟，特别是基础设施领域仍处于探索阶段。目前，国内急需出台BIM技术应用的统一标准，并加大在建筑领域的应用力度及深度，以真正实现借助BIM技术的优势来显著提高工程项目的管理效益。

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Applied Exploration of BIM Technology in Infrastructure Projects Management

LIU Meng，WANG Jin-peng，SUN Chen，GAO He-li
（China Construction Seventh Engineering Division Co.Ltd.，Zhengzhou 450004，China，E-mail：627999066@qq.com）

With the advantage of BIM technology，this study is based on the construction situation and engineering technical difficulties of the bridge engineering to explore the application of BIM in the field of infrastructure. This study develops the three-dimensional modeling of the bridge structure and temporary facility，reviews the design drawings and coordinate points，and optimizes the advance of T beam reinforced lofting to optimize the construction resources，shorten the construction period，reduce costs，and improve the quality of construction.

BIM；modeling；infrastructure；fine steel bar management；visualization technology

TU17

A

1674-8859（2016）06-078-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.06.015

刘 孟（1990-），男，硕士，研究方向：BIM技术，建筑施工技术研究；

王金鹏（1990-），男，工学学士，助理工程师，研究方向：基础设施项目现场施工管理；

孙 宸（1990-），男，工学学士，助理工程师，研究方向：项目现场施工管理；

高贺丽（1993-），女，工学学士，助理工程师，研究方向：工程造价，BIM技术与应用。

2016-07-15．